【技术】石英晶体相关知识详解

时间： 2021-10-15 来源：星通时频

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本文星通时频将主要介绍石英晶体相关知识，包括石英晶体与频率控制元件、石英晶体压电特性、振动模态、等效线路及参数、切割角度、频率与温度特性。

一、石英晶体与频率控制元件

石英是由硅原子和氧原子组合而成的二氧化硅（Silicon Dioxide, SiO2）, 以32点群的六方晶系形成的单结晶结构﹝图一﹞。单结晶的石英晶体结构具有压电效应特性, 当施加压力在晶体某些方向时, 垂直施力的方向就会产生电气电位。相对的当以一个电场施加在石英晶体某些轴向时, 在另一些方向就会产生变形或振动现象。

掌握单结晶石英材料的这种压电效应, 利用其发生共振频率的特性, 发挥其精确程度作为各类型频率信号的参考基准, 就是水晶震荡器的设计与应用。因为石英晶体具有很高的材料Q值,所以绝大部份的频率控制组件,如共振子及振荡器,都以石英材料为基础。以石英为基础的频率控制组件可以依其压电振动的属性, 可以分为体波(bulk wave)振动组件及表面声波(surface acoustic wave)振动组件。

体波振动组件如石英晶体共振子, 石英晶体滤波器及石英晶体振荡器, 表面波振动组件如表面波滤波器及表面波共振子. 当石英晶体以特定的切割方式, 以机械加工方式予以表面研磨, 完成特定的外型尺寸就是通称的石英芯片(quartz wafer 或 quartz blank )。将这个石英芯片放置在真空还境中, 于表面镀上电极后,再以导电材料固定在金属或是陶瓷基座上, 并加以封装, 就成为一般所谓的石英晶体共振子( quartz crystal resonator )。

利用石英共振子在共振时的低阻抗特性及波的重迭特性, 用邻近的双电极, 可以做出石英晶体滤波器。将石英振荡子加上不同的电子振荡线路, 可以做成不同特性的石英振荡器。例如: 石英频率振荡器(CXO), 电压控制石英晶体振荡器 (Voltage Controlled Crystal Oscillator, VCXO), 温度补偿石英晶体振荡器(Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO), 恒温槽控制石英晶体振荡器(Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO)…等。相对于体波谐振的是表面声波的谐振.将石英晶体表面镀以叉状电极(inter-digital-transducer, IDT)方式所产生的表面振荡波, 可以制造出短波长(高频率)谐振的表面声波共振子(SAW Resonator)或表面声波滤波器(SAW Filter).

二、石英晶体压电特性

石英材料中的二氧化硅分子(SiO2) 在正常状态下, 其电偶极是互相平衡的电中性. 在(图二左)的二氧化硅是以二维空间的简化图形. 当我们在硅原子上方及氧原子下方分别给予正电场及负电场时, 空间系统为了维持电位平衡, 两个氧原子会相互排斥,在氧原子下方形成一个感应正电场区域, 同时在硅原子上方产生感应负电场区域. 相反的情况, 当我们在硅原子上方及氧原子下方分别给予负电场及正电场时, 两个氧原子会相互靠近, 氧原子下方产生感应负电场,硅原子上方产生感应正电场. (图二). 然而,氧原子的水平位置变化时, 邻近的另一个氧原子会相对的产生排斥或吸引的力量, 迫使氧原子回到原来的空间位置. 因此, 电场的力量与原子之间的力量会相互牵动, 电场的改变与水平方向的形变是形成交互作用状态. 这个交互作用会形成一个在石英材料耗能最小的振动状态, 祇要由电场持续给与能量, 石英材料就会与电场之间维持一个共振的频率. 这个压电效应下氧原子的振幅与电场强度及电场对二氧化硅的向量角度有相对应的关系.在实际的应用上, 电场是由镀在石英芯片上的金属电极产生, 电场与二氧化硅的向量角度则是由石英晶棒的切割角度来决定.

三、石英晶体振动模态

经由不同的石英切割角度及不同电极型状的电场效应, 石英芯片展现了各种不同的振动模态. 以经常产生的振动模态可以概分为扰曲模态(flexture mode), 伸缩模态(extension mode), 面剪切模态(face shear mode) 和厚度剪切模态(thicknessshear mode). 这几种振动模态以简单的方法在表一中可以看到. 在实际状况中, 石英芯片并不是一定祇有单一种振动模态, 而可能有多种模态同时存在在一个石英芯片的振荡中, 经由适当的设计, 可以压制其它不希望产生的振动模态(unwanted mode), 来达到主要振动模态的最佳化.

四、石英晶体等效电路

下图(a)及(b)分别是DIP型式及SMD型式的石英振荡子的基本结构图. (c)是电子电路上所使用代表石英振荡子的电子符号. 当石英晶体共振子处在远离振荡频率区域时, 石英晶体共振子仅是一个电容性的组件, 当频率接近石英晶体的振荡频率时,就接近是一个电感性的等效LCR振荡线路.

就是将石英晶体共振子转换成振荡频率附近的Butterworth-Van Dyke (BVD)等效电路. 在下图中, 有四个主要参数 : 静态电容-Co, 动态电容-C1, 动态电感-L1及动态电阻-R1.

五、石英晶体切割角度

依据不同的应用领域及工作温度需求, 因应了许多不同的石英切割角度种类. 例如AT-, BT-, CT-, DT-, NT, GT…..等不同的切割板片. 不同的切割方向的板片具有不同的弹性常数张量(elastic constant tensor), 不同的压电常数张量(piezoelectric constant tensor)及不同的介电常数张量(dielectric constant tensor). 这些张量在石英组件的设计及应用上展现了不同的振荡及温度特性. (图三)表现了在Z-plat石英结构上,几种不同方向的石英板片切割方式.

六、石英晶体频率与温度特性

大部份的石英晶体产品是用于电子线路上的参考频率基准组件或频率控制组件, 所以, 频率与工作环境温度的特性是一个很重要的参数. 事实上, 良好的频率与温度(frequeny versus temperature)特性也是选用石英做为频率组件的主要因素之一. 经由适当的定义及设计, 石英晶体组件可以很容易的就满足到以百万分之一 (parts per million, ppm) 单位等级的频率误差范围。以离散电路方式将LCR零件组成高频振荡线路, 虽然也可以在小量生产规模达到所需要的参考频率信号误差在ppm或sub-ppm等级要求，可是这种方式无法满足产业要达到的量产规模. 石英组件的频率对温度特性更是离散振荡线路无法简易达成的. 在(图1) 中提供了数种不同的石英晶体切割角度的频率对温度特性曲线.

图1.不同切型频率-温度特性

在各种不同种类的切割角度方式中, AT角度切割的石英芯片适用在数MHz到数佰MHz的频率范围,是石英芯片应用范围最广范及使用数量最多的一种切割应用方式. 在(图2)中, 从石英晶棒X-轴向的上视图, 可以看到对Z-轴向旋转约35度的AT 方向. 这在大量生产的技术上也是很好达成的一种作业方式.

图2.水晶棒的AT切方向

(图3)是以AT切割角度变动在厚度振动模态的频率对温度特性的展开图. 图中以常用的室温摄式25度作为相对零点, AT切割的最大优点是频率对温度变化为一元三次方曲线. 这个特性, 从(图3)中可以看到, 在相当宽广的温度范围下, AT切割的温度曲线的第一阶及第二阶常数为零, 第三阶的常数便决定了频率对温度的变化值.

图3.AT切频率-温度特性

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星通时频（SCTF）有源晶振选型表

目录- 有源晶振

型号- S7D27.120000D20F30T,S7D3.686400A20F30T,S3D30.000000D20F30T,S5D49.152000A20F30T,S3D49.152000D20F30T,S7D32.000000A20F30T,S7D27.000000B20F30T,S7D16.000000D20F30T,S5D32.000000D20F30T,S3D19.200000A20F30T,S3D50.000000B20F30T,S3D1.843200A20F30T,S7D36.000000B20F30T,S3D11.289600A20F30T,S5D4.096000A20F30T,S7D28.636360D20F30T,S7D11.059200B20F30T,S3D2.048000A20F30T,S5D7.372800D20F30T,S3D6.000000A20F30T,S5D25.000000B20F30T,S7D5.000000D20F30T,S3D4.096000B20F30T,S5D32.768KD20F30T,S5D33.000000D20F30T,S3D12.288000B20F30T,S7D2.000000A20F30T,S3D18.432000A20F30T,S5D29.491200B20F30T,S7D26.000000D20F30T,S7D33.330000B20F30T,S7D54.000000B20F30T,S3D2.457600D20F30T,S5D3.579545B20F30T,S7D4.915200D20F30T,S7D25.000000D20F30T,S5D2.000000D20F30T,S3D48.000000A20F30T,S5D16.000000B20F30T,S3D32.000000B20F30T,S7D8.192000D20F30T,S5D1.000000D20F30T,S5D3.686400B20F30T,S3D32.768KD20F30T,S5D4.000000B20F30T,S5D30.000000A20F30T,S7D4.000000A20F30T,S7D22.118400A20F30T,S3D13.560000A20F30T,S7D45.000000D20F30T,S7D33.333300D20F30T,S3D14.318180B20F30T,S3D22.579200A20F30T,S5D12.288000A20F30T,S7D4.000000D20F30T,S7D1.843200B20F30T,S3D33.000000B20F30T,S7D14.745600B20F30T,S3D48.000000D20F30T,S5D10.000000A20F30T,S5D7.372800B20F30T,S5D26.000000B20F30T,S5D49.1520000B20F30T,S7D54.000000D20F30T,S5D2.000000B20F30T,S7D6.000000D20F30T,S5D24.000000B20F30T,S7D27.000000D20F30T,S7D29.491200B20F30T,S5D22.118400A20F30T,S7D19.200000B20F30T,S3D20.000000A20F30T,S7D14.318180A20F30T,S7D6.144000A20F30T,S5D14.745600B20F30T,S7D8.000000B20F30T,S3D10.000000A20F30T,S3D24.000000B20F30T,S7D1.024000B20F30T,S7D33.000000A20F30T,S3D36.000000A20F30T,S3D4.915200A20F30T,S7D8.192000B20F30T,S7D33.333300B20F30T,S5D4.915200B20F30T,S7D16.000000B20F30T,S5D25.000000D20F30T,S3D2.457600A20F30T,S7D45.000000B20F30T,S3D32.000000D20F30T,S7D1.843200D20F30T,S7D5.000000B20F30T,S5D12.000000A20F30T,S5D50.000000D20F30T,S3D8.000000D20F30T,S3D18.432000D20F30T,S3D20.000000D20F30T,S3D3.579545A20F30T,S7D14.745600D20F30T,S5D1.000000A20F30T,S5D24.000000D20F30T,S7D6.000000B20F30T,S7D49.152000A20F30T,S5D24.576000A20F30T,S5D40.000000A20F30T,S7D16.384000B20F30T,S5D12.288000D20F30T,S7D32.768KB20F30T,S5D27.000000B20F30T,S3D14.318180D20F30T,S7D29.491200D20F30T,S7D8.192000A20F30T,S5D33.333000A20F30T,S3D2.048000D20F30T,S5D3.579545D20F30T,S5D1.000000B20F30T,S5D16.384000B20F30T,S3D26.000000A20F30T,S5D6.000000B20F30T,S3D3.686400B20F30T,S5D2.048000B20F30T,S5D13.560000B20F30T,S5D14.745600D20F30T,S5D11.289600A20F30T,S5D28.636360D20F30T,S3D16.000000B20F30T,S3D25.000000B20F30T,S7D3.686400D20F30T,S5D2.000000A20F30T,S5D19.200000A20F30T,S5D22.579200B20F30T,S7D30.000000A20F30T,S3D11.289600D20F30T,S7D32.768KD20F30T,S5D4.000000D20F30T,S7D4.096000B20F30T,S5D7.372800A20F30T,S5D4.096000D20F30T,S7D5.000000A20F30T,S7D2.457600D20F30T,S7D4.000000B20F30T,S3D33.330000A20F30T,S3D33.333000B20F30T,S5D32.000000A20F30T,S7D50.000000D20F30T,S5D12.288000B20F30T,S3D1.843200D20F30T,S5D36.000000B20F30T,S5D6.144000A20F30T,S3D24.000000D20F30T,S7D11.059200D20F30T,S7D24.576000A20F30T,S3D7.372800B20F30T,S3D33.333000A20F30T,S7D1.000000A20F30T,S3D10.000000B20F30T,S5D24.576000D20F30T,S5D13.560000A20F30T,S5D16.384000A20F30T,S5D2.048000A20F30T,S5D40.000000D20F30T,S5D22.579200A20F30T,S3D27.000000A20F30T,S5D6.144000B20F30T,S3D12.000000A20F30T,S3D14.318180A20F30T,S5D49.1520000D20F30T,S5D6.000000A20F30T,S7D14.745600A20F30T,S7D33.330000A20F30T,S3D22.579200D20F30T,S3D26.000000B20F30T,S5D20.000000D20F30T,S5D24.000000A20F30T,S3D13.560000D20F30T,S5D48.000000A20F30T,S3D7.372800D20F30T,S3D11.059200A20F30T,S7D4.915200B20F30T,S5D32.768KB20F30T,S5D5.000000B20F30T,S3D12.288000D20F30T,S3D27.000000D20F30T,S3D8.192000A20F30T,S3D12.000000B20F30T,S3D10.000000D20F30T,S5D36.000000A20F30T,S5D30.000000B20F30T,S5D8.000000A20F30T,S3D25.000000D20F30T,S5D18.432000B20F30T,S7D40.000000A20F30T,S7D14.318180D20F30T,S7D54.000000A20F30T,S5D19.200000B20F30T,S5D48.000000D20F30T,S3D22.118400A20F30T,S3D49.1520000B20F30T,S7D50.000000A20F30T,S5D8.000000D20F30T,S3D22.118400D20F30T,S7D4.096000A20F30T,S3D29.491200A20F30T,S3D33.333000D20F30T,S5D5.000000D20F30T,S5D18.432000A20F30T,S5D20.000000A20F30T,S5D8.000000B20F30T,S3D16.000000A20F30T,S5D16.384000D20F30T,S5D6.144000D20F30T,S3D33.333300A20F30T,S5D33.000000A20F30T,S5D28.636360B20F30T,S5D32.000000B20F30T,S7D33.330000D20F30T,S3D29.491200B20F30T,S3D3.686400A20F30T,S3D12.000000D20F30T,S7D4.915200A20F30T,S3D22.118400B20F30T,S5D33.000000B20F30T,S5D28.636360A20F30T,S5D6.000000D20F30T,S5D30.000000D20F30T,S7D2.457600B20F30T,S3D1.843200B20F30T,S5D48.000000B20F30T,S3D33.333300B20F30T,S7D2.000000B20F30T,S7D11.289600A20F30T,S7D12.288000B20F30T,S7D50.000000B20F30T,S3D4.915200B20F30T,S3D1.000000A20F30T,S3D6.144000A20F30T,S7D8.000000A20F30T,S7D33.333000D20F30T,S5D19.200000D20F30T,S5D14.745600A20F30T,S3D49.1520000A20F30T,S5D29.491200A20F30T,S3D13.560000B20F30T,S3D16.384000B20F30T,S3D22.579200B20F30T,S3D5.000000B20F30T,S7D2.457600A20F30T,S7D19.660800D20F30T,S7D22.118400B20F30T,S5D33.333000B20F30T,S3D14.745600D20F30T,S5D20.000000B20F30T,S3D26.000000D20F30T,S5D16.000000A20F30T,S7D7.37

选型指南 - 星通时频 PDF 中文下载

星通时频晶振选型表

星通时频提供有源晶振、无源晶振、压控晶体振荡器、差分晶振、压控温补晶体振荡器、温补晶振选型，频点：1.000MHz~156.250MHz；供电电压：1.2V~5V；频率稳定度：±20ppm、±10ppm、±1ppm；工作温度范围：-40℃~85℃，提供SMD2016、SMD2520、SMD3325、SMD5032等封装

产品型号	品类	频点（MHz）	安规/环境规范	工作温度范围（℃）	应用等级	频率稳定度（ppm)	供电电压（V）	封装形式（Package）	存储环境/要求（℃）
S7D1.000000B20F30T	有源晶振	1.000MHz	RoHS	-40℃~85℃	工业级	±20ppm	3.3V	SMD-7050-4P	Storage temperature -55 to +125°C

选型表 - 星通时频立即选型

星通时频SX0B26.000F0710F30、SX2B13.824F0710F20石英晶振在蓝牙商务耳机中的应用

搭载星通时频SCTF 2款晶振：SX0B26.000F0710F30、SX2B13.824F0710F20，通过对电路的精准调试，为CPU提供高可靠性和高稳定性的时钟信号，达到高远程的数据传输和高性能的无线传输速率。精确的人声识别能力也能确保快速拾音，让信息没有延迟，让沟通没有时差。实现精准的自动背噪屏蔽，确保清晰准确的通话拾音，轻松胜任日常语音通话、视频会议等工作场景。

应用方案发布时间 : 2024-07-18

国内专业的石英晶体谐振器及振荡器生产商——星通时频（ SCTF）

星通时频（SCTF）成立于2003年，专注于石英晶体谐振器、振荡器的研发生产，拥有世界先进的生产、检验设备以及万级净化车间，产品线齐全，包含DIP和SMD，无源和有源晶振。星通时频（SCTF）通过了IS09001、IS014001和IATF16949国际标准化管理体系，产品通过最新ROHS/REACH认证，广泛应用于网络通信、智能电网、智能安防、汽车电子、工业自动化、金融支付、消费电子产品等领域。

品牌简介发布时间 : 2021-09-13

【经验】解析MSP430单片机外围贴片晶振选型和设计标准

因单片机具备功耗小、精简混合信号处理器的优良特性，可给模拟电路、数字电路模块和微处理器提供解决方案，例如便携式的仪器、仪表等。那该产品在制作单片机的过程中，需要用到哪些石英贴片晶振、选用标准、以及设计所需要注意哪些事项呢？本文星通时频将给大家介绍具体内容。

设计经验发布时间 : 2022-02-18

星通时频（SCTF）石英晶体振荡器选型指南

描述- 专业研发、生产、销售系列石英晶体及振荡器产品

型号- SX3MX.XXXE20F30THN,1CV,2CV,2CV SERIES,3CV,SX3M25.000E20F30THN,1CV SERIES,5CV,7CV,3CV SERIES,7CV SERIES,5CV SERIES

选型指南 - 星通时频 - 2024/5/17 PDF 英文下载查看更多版本

【经验】关于有源晶振EMC设计的原理图设计和PCB设计要点

星通时频将在在本文介绍有源晶振EMC设计的原理图设计要点以及PCB设计要点。晶振电源去耦非常重要，建议加磁珠，去耦电容选两到三个，容值递减。时钟输出管脚加匹配，具体匹配阻值，可根据测试结果而定。预留的电容C1，容值要小，构成了一级低通滤波，电阻、电容的选择，根据具体测试结果而定。

设计经验发布时间 : 2021-08-17

星通时频石英晶振助力固态硬盘SSD设计，可实时监控并调整温度及功耗，实现数据高速传输

随着SSD容量的越来越大和性能的不断提升，对晶振的性能需求也变得越来越高，要求晶振高频化，小型化，高稳定性，低功耗。固态硬盘（SSD）的内部搭载星通时频的晶振SX1B25.000F0810F30，通过对电路的精准调试，为CPU提供高可靠性、高稳定性的时钟信号。可实时监控并调整SSD温度及功耗，实现数据的高速传输，为数据安全性提供保障。

应用方案发布时间 : 2024-01-19

SCTF星通时频提供多种系列的晶振产品，可满足不同的智能相机应用场景的性能要求

晶振如同智能相机产品的“心脏”，通过晶振稳定的频率和精准的计时，为MCU提供精准的时序信号，给相机提供可靠的无线通信连接。SCTF星通时频提供多种系列的晶振产品，以满足不同的智能相机应用场景的性能要求。

应用方案发布时间 : 2024-07-08

【技术】Wi-Fi 7技术在Wi-Fi 6/6E之上，提供吞吐量更高且速度更快的WLAN解决方案

星通时频在本篇分享WIFI7技术简介。Wi-Fi 7 或 IEEE 802.11be是 IEEE 802.11 标准的下一个迭代。它是 802.11ax ( Wi-Fi 6 / 6E ) 的继任者，将专注于提供无线 LAN (WLAN)。

新技术发布时间 : 2022-08-27

星通时频（SCTF）石英晶体谐振器/振荡器选型表

目录- CRYSTAL TUNING FORK OSCILLATOR VCXO TCXO OCXO

型号- 3T,7X,7Z,3V,3X,3Z,TF308,5CKL,TF2012,2CK,2CM,2CN,2CV,5C,1VT,3VT,1C,5V,1T,5X,5Z,TF206,1X,3CKL,SA,2C,OA,OB,7CKL,1CK,SM,3CK,1CM,5CK,3CM,3CN,5XA,7CK,5CM,5CN,7CM,5CP,7CN,2T,7CP,5XG,TF7015,2CKL,3CV,2X,5CV,OX,7CV,7C,OCXO,3C,2VT,TF3215,7V

选型指南 - 星通时频 - 2022/11/14 PDF 英文下载

5CM系列宽电压SMD5032封装时钟振荡器，频率范围1至50MHz

星通时频5CM系列SMD5032时钟振荡器，是一种电子元件，主要用于产生稳定的时钟信号。它是电子设备中不可或缺的部分，广泛应用于计算机、通信设备、数字家电等领域。SMD5032时钟振荡器的基本特性包括高精度、高稳定性和低功耗。它的精度可以达到±20ppm，稳定性在±30ppm以内，而且其功耗低。这些特性使得SMD5032时钟振荡器在各种电子设备中都能发挥出重要的作用。

产品发布时间 : 2024-06-24